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JP5824672B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子などを備えたパワーモジュールに関するものである。
従来、冷却構造を有するパワーモジュールとして、パワー半導体素子と、平滑コンデンサと、その平滑コンデンサで発生する熱を放熱する金属放熱板とを備え、更に、その金属放熱板を、平滑コンデンサが配設される第１領域と、パワー半導体素子が配設される第２領域とに分離しているものがある（例えば、特許文献1参照）。すなわち、図１８に示すような、従来のパワーモジュールは、パワー半導体素子１と、平滑コンデンサ２１と、それらで発生する熱を放熱する放熱板５とを備えているが、その放熱板５にスリット２２を形成することにより、パワー半導体素子１側の第１領域５ａで発生する熱と、平滑コンデンサ２１側の第２領域５ｂで発生する熱とを熱的に分離することによって、パワー半導体素子１で発生する熱により、平滑コンデンサ２１の温度が上昇することを防いでいる。
特許第４２７０８６４号公報
しかしながら、前記従来のパワーモジュールの冷却構造の構成では、第１領域５ａから第２領域５ｂへの熱伝導を妨げるために、金属放熱板５にスリット２２を形成し、各領域５ａ、５ｂを別個に分離しているので、パワー半導体素子１及び平滑コンデンサ２１の熱を放熱する金属放熱板５の体積がそのスリットの分だけ少なくなり、パワー半導体素子１及び平滑コンデンサ２１の放熱性に優れたパワーモジュールを実現することは難しい。したがって、良好な放熱性を確保できるとは言い難いものと考えられる。
本発明は、上述したような従来のパワーモジュールの課題を解決するもので、パワー半導体素子の良好な放熱性を確保しつつ、平滑コンデンサなどの駆動素子にパワー半導体素子の熱が伝わりにくい、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。
第１の本発明は、
リードフレームと、
前記リードフレームに実装されたパワー半導体素子と、
前記リードフレームに実装された駆動素子と、
前記パワー半導体素子で発生する熱を放散する放熱板と、
前記パワー半導体素子、前記駆動素子および前記放熱板を保持する樹脂とを備えたパワーモジュールにおいて、
前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている部分と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間に配置されている部分と、前記パワー半導体素子の上方位置に配置されている部分とを一体的に有することを特徴とする、パワーモジュールである。
第２の本発明は、
前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間に配置されている第２平坦部と、前記パワー半導体素子の上方位置に配置されている第３平坦部とを有する、第１の本発明のパワーモジュールである。
第３の本発明は、
前記第１平坦部と前記第２平坦部とのなす角度が、４５度より大きく６０度より小さい、第２の本発明のパワーモジュールである。
第４の本発明は、
前記第３平坦部が網目形状である、第２の本発明のパワーモジュールである。
第５の本発明は、
前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
それぞれの前記組は、前記第３平坦部を対向させて積層されている、第２の本発明のパワーモジュールである。
第６の本発明は、
対向している２つの前記第３平坦部は、共通化されている、第５の本発明のパワーモジュールである。
第７の本発明は、
前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間を通り、前
記パワー半導体素子の上方へ向かう、断面円弧形状部とを有する、第１の本発明のパワーモジュールである。
第８の本発明は、
前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
それぞれの前記組は、前記断面円弧形状部を対向させて積層されている、第７の本発明のパワーモジュールである。
第９の本発明は、
前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間を通り、前
記パワー半導体素子の上方へ向かう第４平坦部とを有する、第１の本発明のパワーモジュールである。
第１０の本発明は、
前記第１平坦部と前記第４平坦部とのなす角度が、４５度より大きく、６０度より小さい、第９の本発明のパワーモジュールである。
第１１の本発明は、
前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
それぞれの前記組は、前記第４平坦部を対向させて積層されている、第９の本発明のパワーモジュールである。
第１２の本発明は、
前記放熱板の、前記パワー半導体素子の上方の端部は、前記リードフレームと接触していない、第１から１１のいずれかの本発明のパワーモジュールである。
以上のように、本発明は、パワー半導体素子の良好な放熱性を確保しつつ、駆動素子にパワー半導体素子の熱が伝わりにくい信頼性の高いパワーモジュールを提供できる。
本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの斜視図 本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの断面模式図 同実施の形態１のパワーモジュールの変形例の断面模式図 本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの断面模式図 比較例としての、折り曲げない放熱板の付いたパワーモジュールの断面温度分布解析結果を示す図 本発明の実施の形態１の断面温度分布解析結果を示す図 本発明の実施の形態２の断面温度分布解析結果を示す図 本発明の実施の形態３の断面温度分布解析結果を示す図 本発明の実施の形態１〜３と、比較例としての折り曲げた放熱板を取り付けない場合のパワーモジュールの温度解析結果の比較を示すグラフ 比較例としての、平坦な放熱板を持つパワーモジュールの斜視図 比較例としての、平坦な放熱板を持つパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態５の変形例におけるパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態５の変形例におけるパワーモジュールの断面模式図 本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの断面模式図 従来のパワーモジュールの冷却構造を示す断面図
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの全体斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの断面模式図である。
図２のパワー半導体素子１は大電流が流れるパワー半導体素子で、その代表的なものとしてはIGBTやMOSFETなどがある。駆動素子２はパワー半導体素子１を駆動する為の駆動素子であって、例えば平滑コンデンサである。放熱板３ａは、パワー半導体素子１から発生される熱を冷却する為の放熱板であり、銅などの熱伝導率の高い金属や合金属からなり、パワー半導体素子１側の領域６ａと、駆動素子２側の領域６ｂとを分けるように、断面コの字型に折り曲げられている。
リードフレーム４ａはパワー半導体素子１側のリードフレームであり、リードフレーム４ｂは駆動素子２側のリードフレームである。これらリードフレーム４ａ、４ｂにパワー半導体素子１および駆動素子２を実装し、ワイヤボンディングなどで接続したのち、放熱板３ａと合わせて、エポキシモールド樹脂６でモールド成形し硬化することで、パワーモジュールが製造される。７はワイヤボンディング接合部である。
コの字型の放熱板３ａは、平行な２つの平面部３ａ１、３ａ３と、それを繋ぐ傾斜した斜面部３ａ２からなる放熱板であって、1枚の平板をプレスすることにより製造される。
これら平面部３ａ１、平面部３ａ３、斜面部３ａ２は、それぞれ、本発明の第１平坦部、第３平坦部、第２平坦部の一例である。
このようなコの字型の放熱板３ａは、図１、図２に示すように、パワー半導体素子１を包み込むように折り曲げられた放熱板であるが、パワー半導体素子１を実装しているリードフレーム４ａに電気的に接続しないように、1辺を閉じないようにしている。更に、放熱板３ａの平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間を電気的に接続しないように、絶縁部材８が設けられている。
上記のコの字型の放熱板３ａはパワー半導体素子１側の第１領域６ａと、駆動素子２側の第２領域６ｂとを熱的に分離している。コの字に曲げることで、パワー半導体素子１から放射状に発生する熱を効率的に受熱することが出来る。
それにより、コの字に折り曲げられた放熱板３ａはパワー半導体素子１で発生した熱を有効に放熱出来る放熱経路となる。パワー半導体素子１で発生した熱はエポキシモールド樹脂６を介してコの字に折り曲げられた放熱板３ａへと伝わることにより、駆動素子２側へ熱が伝わるのを防ぐ。また、駆動素子２上の領域に放熱板３ａを設置しないことにより、放熱板３ａを介して駆動素子２の温度が上昇することを防ぐ。
なお、放熱板３ａの形状は、厳密な意味で断面コの字状でなくてもよく、例えば断面Ｕ字状などの板部材であってもよい。あるいは、図３のように、図面下方の平面部３ａ３が少し湾曲していてもよい。
図１１は、比較例としてのパワーモジュールであって、駆動素子２の上部まで覆う平坦な放熱板３０を持つパワーモジュールの全体図であり、図１２は図１１の断面図である。図１１及び図１２の放熱板３０はパワー半導体素子１と駆動素子２の上部にのみ設置された放熱板であり、その他の構成要素は図１及び図２と同様である。
図６は、比較例である図１１の厚み０．１ｍｍの放熱板３０を持つ初期温度２０℃のパワーモジュールにおいて、各パワー半導体素子１が１W発熱した時の定常状態の熱解析温度分布図である。
図７は、上述した実施の形態１において、放熱板３ａの上部の面部３ａ１の厚みを０．１ｍｍ、斜面部３ａ２と、下部の平面部３ａ３の厚みをそれぞれ０．５ｍｍとし、初期温度２０℃、各パワー半導体素子１が１Ｗ発熱した場合の定常状態を熱解析した温度分布図である。
図６と図７を比較すると、本実施の形態１のコの字型放熱板３ａを設置することにより、パワー半導体素子１側の熱が駆動素子２自体へは勿論、駆動素子２の上方位置にも伝播しにくくなることがわかる。
すなわち、負荷変動によってパワー半導体素子１の発熱量が増大すると、パワー半導体素子１側の第１領域６ａの温度は上昇する。しかしながら上記したようにコの字に折り曲げられた放熱板３ａが放熱経路となり、パワー半導体素子１側の第１領域６ａと、駆動素子２側の第２領域６ｂは熱的に分離されている。従って、駆動素子２側の第２領域６ｂの温度上昇は小さいので、駆動素子２の温度上昇が制御される。
このようにパワーモジュールの負荷状況にかかわらず駆動素子２の温度上昇を制御できるので、駆動素子２の耐熱温度内で駆動素子２を駆動でき、駆動素子２が高温時に発生するワイヤボンディングの接合部７の接続信頼性低下の問題を解消できる。その結果として、パワーモジュールで発生する熱を放熱するためにモジュールサイズを過度に大きくする必要がなく、パワーモジュールを小型化することが出来る。
本発明の好ましい実施の形態として、コの字に折り曲げられた放熱板３ａは、およそ４５度から６０度の角度範囲（図２の符号Ａ参照）で、パワー半導体素子１側の領域６ａと駆動素子２側の領域６ｂの間を通るように、折り曲げられるのが望ましい。また、パワー半導体素子１の上部に位置する放熱板３ａの平面部３ａ１はあまり小さいと効果が出ない。また、パワー半導体素子１と駆動素子２の間を通る放熱板３ａの斜面部３ａ２は駆動素子２側に近いと効果が出ないので、なるべくパワー半導体素子１側に近づけるのが良い。ただし、斜面部３ａ２は、パワー半導体素子１を実装しているリードフレーム４ａと電気的に接続しないように、リードフレーム４ａから一定の距離を置く必要がある。
４５度より小さくすると、放熱板３ａと半導体素子１との間隔が、近づきすぎ、距離が
不均一になる。結果、効率よく熱を逃がすことができない。
一方、６０度以上になると、放熱板３ａで、半導体素子１を覆うことができない、または、パワーモジュールが大きくなる。
またコの字の放熱板３ａの終端部３ａ４（図２参照）はパワー半導体素子１の端部まで覆うことが好ましい。
パワーモジュールの全体の大きさ、内部の部品要素、放熱板の厚さなど、放熱板の形状以外の構成が同じであるところの、本実施の形態１のパワーモジュールと、図１１、図１２の比較用パワーモジュールとを比較した結果、本実施の形態１のパワーモジュールの方が、図１１、図１２の比較用パワーモジュールよりも、パワー半導体素子１の最高温度を約０．８℃、駆動素子２の最高温度を約３．３℃低くできる。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの断面模式図である。放熱板３ｂは、パワー半導体素子１側の領域６ａと、駆動素子２側の領域６ｂの間を通るように、実施の形態１と同様に折り曲げた後、プレス加工などによって、パワー半導体素子１中心からリードフレーム４ａ端までの距離Ｌを半径として、中心を図面上少し右側へずらした円弧を描くように加工した、フの字型（円柱の断面の形状）放熱板である。
このフの字型放熱板３ｂは、真っ直ぐな平面部３ｂ１と、カーブの付いた面部３ｂ２からなる放熱板で、１枚の平板をプレスすることによって製造される。このフの字型放熱板３ｂを、パワー半導体素子１を包み込むようにして設置し、パワー半導体素子１および駆動素子２を実装したリードフレーム４ａ、４ｂと共にモールド樹脂６でモールド成形し硬化する。なお、この平面部３ｂ１は本発明の第１平坦部の一例であり、カーブの付いた面部３ｂ２は、本発明の断面円弧形状部の一例である。
これにより、パワー半導体素子１側の第１領域６ａと、駆動素子２側の第２領域６ｂとが熱的に分離される。フの字型の放熱板３ｂは、パワー半導体素子１を包み込むよう作られたカーブにより、パワー半導体素子１から放射状に発生する熱を効率的に受熱することが出来る。それにより、フの字型の放熱板３ｂはパワー半導体素子１で発生した熱を有効に放熱出来る放熱経路となる。
すなわち、パワー半導体素子１で発生した熱は、エポキシモールド樹脂６を介してフの字型の放熱板３ｂへと伝わることにより、駆動素子２側へ熱が伝わるのを防ぐ。
図８は、実施の形態２において、放熱板３ｂ上部の平面部３ｂ１の厚みを０．１ｍｍ、放熱板３ｂのカーブの付いた面部３ｂ２の厚みを０．５ｍｍ、初期温度を２０℃とし、各パワー半導体素子１が１Ｗ発熱した場合の、定常状態を熱解析した断面温度分布図である。
上述した比較例の図６と、本実施の形態２の図８とを比較すると、本実施の形態２のフの字型放熱板３ｂを設置することにより、パワー半導体素子１側の熱が、駆動素子２自体へは勿論、その上方へも伝播しにくくなることがわかる。
よって、パワー半導体素子１の冷却性を確保しつつ、駆動素子２が高熱化するのを防ぐことができ、駆動素子２が高温時に発生するワイヤボンディングの接合部７の接続信頼性低下の問題を解消できる。その結果として、パワーモジュールで発生する熱を放熱するためにモジュールサイズを過度に大きくする必要がなく、パワーモジュールを小型化することが出来る。
パワーモジュールの全体の大きさ、内部の部品要素、放熱板の厚さなど、放熱板の形状以外の構成が同じであるところの、本実施の形態２のパワーモジュールと、図１１、図１２の比較用パワーモジュールとを比較した結果、本実施の形態２のパワーモジュールの方が、図１１、図１２の比較用パワーモジュールよりも、パワー半導体素子１の最高温度を約０．９℃、駆動素子２の最高温度を約３．６℃低くできる。
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの断面模式図である。放熱板３ｃは、パワー半導体素子１側に傾くようにしてパワー半導体素子１側と駆動素子２側の間を通るように、折り曲げた、断面Ｖ字状の放熱板である。３ｃ１は上部の平面部であり、３ｃ２は斜面部である。この平面部３ｃ１は本発明の第１平坦部の一例であり、斜面部３ｃ２は本発明の第４平坦部の一例である。
製造方法は、この折り曲げた断面Ｖ字状の放熱板３ｃを、パワー半導体素子１および駆動素子２を実装したリードフレーム４ａ、４ｂと共にモールド樹脂６でモールド成形し硬化する。
図９は実施の形態３において、放熱板３ｃ上部の平面部３ｃ１の厚みを０．１ｍｍ、放熱板３ｃの斜面部３ｃ２の厚みを０．５ｍｍ、初期温度を２０℃とし、各パワー半導体素子１が１Ｗ発熱した場合の、定常状態を熱解析した断面温度分布図である。
上記で説明した比較例の図６と、本実施の形態３の図９を比較すると、本実施の形態３の折り曲げられた放熱板３ｃを設置することにより、パワー半導体素子１側の熱が駆動素子２自体へは勿論、その上方側へも伝播しにくくなることがわかる。
折り曲げた断面Ｖ字状の放熱板３ｃはパワー半導体素子１側の第１領域６ａと駆動素子２側の第２領域６ｂを熱的に分離する。放熱板３ｃをパワー半導体素子１に沿うように折り曲げることで、パワー半導体素子１から放射状に発生する熱を効率的に受熱することが出来る。それにより、折り曲げた放熱板３ｃはパワー半導体素子１で発生した熱を有効に放熱する放熱経路となる。
すなわち、パワー半導体素子１で発生した熱はエポキシモールド樹脂６を介して折り曲げた放熱板３ｃへと伝わることにより、駆動素子２側へ熱が伝わるのを防ぐ。これによりパワー半導体素子１の冷却性を確保しつつ、駆動素子２が高熱化するのを防ぐことができ、駆動素子２が高温時に発生するワイヤボンディングの接合部７の接続信頼性低下の問題を解消できる。その結果として、パワーモジュールで発生する熱を放熱するためにモジュールサイズを過度に大きくする必要がなく、パワーモジュールを小型化することが出来る。
本発明の好ましい実施の形態として、折り曲げられた放熱板３ｃは、およそ４５度から６０度の角度範囲（図５符号Ａ参照）で、パワー半導体素子１側の領域６ａと駆動素子２側の領域６ｂの間を通るように、かつ、なるべくパワー半導体素子１に近接するように折り曲げられるのが良い。
パワー半導体素子１の上部に位置する放熱板３ｃの平面部３ｃ１はあまり小さいと効果が出ない。また、パワー半導体素子１と駆動素子２の間を通る放熱板３ｃの斜面部３ｃ２は駆動素子２側に近いと効果が出ないので、なるべくパワー半導体素子１側に近づけるのが良い。ただし、斜面部３ｃ２は、パワー半導体素子１を実装しているリードフレーム４ａと電気的に接続しないように、リードフレーム４ａから一定の距離を置く必要がある。
上記折り曲げ角度は、４５度より小さくすると、放熱板３ｃと半導体素子１との間隔が、近づきすぎ、距離が不均一となる。結果、効率よく熱を逃がすことができない。
一方、角度が６０度以上になると、放熱板３ｃで、半導体素子１を覆うことができない、または、パワーモジュールが大きくなる。
パワーモジュールの全体の大きさ、内部の部品要素、放熱板の厚さなど、放熱板の形状以外の構成が同じであるところの、本実施の形態３のパワーモジュールと、図１１、図１２の比較用パワーモジュールとを比較した結果、本実施の形態３のパワーモジュールの方が、図１１、図１２の比較用パワーモジュールよりも、パワー半導体素子１の最高温度が約２．５℃上昇したが、駆動素子２の方の最高温度を約２．６℃低くできる。
以上説明した、実施の形態１〜３について、比較例と比較した結果は、パワー半導体素子１が１Ｗ発熱した時の、パワー半導体素子１や駆動素子２の温度変化についてである。
しかし、実際の使用下では、パワーモジュールの使用の条件としては、チップの耐熱温度が１５０℃であるから、パワー半導体素子１の温度は１５０℃以上にならないように、入力を規制して使用する。
そこで、それぞれの温度結果を元に、パワー半導体素子１が１５０℃になる時の駆動素子２の温度を計算すると、パワー半導体素子１の温度が１５０℃である場合、駆動素子２の温度は、図１１、図１２の比較例では１３８．１３℃、図２の実施の形態１では１３５．７９℃、図４の実施の形態２では１３５．６５℃、図５の実施の形態３では１３３．８９℃となる。
図１０は、そのようにパワー半導体素子１の温度を１５０℃にした場合の下に、比較したグラフである。すなわち、各実施の形態１〜３と、駆動素子２上部まで覆う放熱板３０をもつパワーモジュール（比較例、図１１および図１２）の、温度解析比較結果である。
図１０より明らかなように、図５の実施の形態３が最もパワー半導体素子１と駆動素子２の温度差が付き、駆動素子２の温度上昇を防ぐのにもっとも効果のある形態であることが分かる。図５の実施の形態３が最もパワー半導体素子１と駆動素子２の温度差がつく理由としては、実施の形態３での、放熱板３ｃとパワー半導体素子１との距離が、実施の形態１、２での、放熱板３ｂ、３ａとパワー半導体素子１との距離より、大きいため、パワー半導体素子１の熱が放熱板に伝達される量が、実施の形態３では、少ない。このため、パワー半導体素子１の温度は、実施の形態１，２より上昇し、相対的に、パワー半導体素子１と駆動素子２との温度差がつくと考えられる。
パワー半導体素子１と駆動素子２との温度差をつけたい場合は、実施の形態３が最もよく、パワー半導体素子１と駆動素子２の両方の温度を下げたい場合は、実施の形態１，２の方がよい。
また、実施の形態２が実施の形態１よりもパワー半導体素子１と駆動素子２の温度差が付く理由としては、実施の形態２の放熱板３ｂのパワー半導体素子１と駆動素子２の間を通る部分がカーブしており、実施の形態１の折り曲げの放熱板３ａよりも、駆動素子２からの距離が離れているので、パワー半導体素子１の熱が駆動素子２に伝わりにくくなっている為と推測できる。
以上説明したように、本発明のパワーモジュールは、金属放熱板をパワー半導体素子が装着される領域と駆動素子が装着される領域を仕切るように折り曲げることで、パワー半導体素子の裏面又は上面を放熱板で覆い、放熱板の体積を小さくすることなく、パワー半導体素子の熱を効率的に金属放熱板に熱伝導し、パワー半導体素子の冷却を行う。
本構成によって、パワー半導体素子の熱が駆動素子へ伝導しにくくなり、また放熱板の体積及びパワー半導体素子の放熱性を確保したまま、駆動素子が高熱になるのを防ぐ。これにより駆動素子の熱による誤作動を防ぐとともに、駆動素子の接合部信頼性を向上することができる。
（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの断面模式図である。本実施の形態４のパワーモジュールは、実施の形態１と、放熱板の構成が異なり、更に絶縁部材８が設けられておらず、モールド樹脂６によって平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間の電気的絶縁性が保たれている点が異なっているが、その他の構成は実施の形態１と同等である。
平面部３ｄ３の部分を、網目状にすることで、ノイズを低減することが出来る。実施の形態１の場合の平面部３ａ３が金属板の場合と比較して、本実施の形態４では、網目であるので、残留応力が減少し、モールド樹脂６との密着性を改善でき、かつ、メッシュを通して、モールド樹脂６が流れ満たされるため、モールド樹脂６で封止する場合の流動性の阻害を低減する。網目の細かさには、特に、制限はないが、平面部３ｄ３を貫通する複数の開口がある必要がある。なお、さらに放熱板３ｄの他の部分の平面部３ｄ１、３ｄ２も網目にしてもよい。
製造する方法は、先に、網目状にした平面部３ｄ３と、平面部３ｄ１及び平面部３ｄ２を形成する金属板とを溶接し、１枚の板状の金属板を作製し、その後、各部間のところで、折り曲げることで放熱板３ｄが作製される。その後、折り曲げた放熱板３ｄと、パワー半導体素子１および駆動素子２を実装したリードフレーム４ａ、４ｂとを、モールド樹脂６でモールド成形し硬化する。網目は、金属板をパンチングすることで形成される。金属板としては、銅やアルミニウムを用いることができる。
なお、図３に示す放熱板３ａの平面部３ａ３、実施の形態２における放熱板３ｂの面部３ｂ２、及び実施の形態３における放熱板３ｃの斜面部３ｃ２を網目にしてもよい。更に、図３に示す放熱板３ａの平面部３ａ１、斜面部３ａ２、実施の形態２における放熱板３ｂの平面部３ｂ１、及び実施の形態３における放熱板３ｃの平面部３ｃ１を網目にしてもよい。
（実施の形態５）
図１４は本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの断面模式図である。本実施の形態５のパワーモジュールは、実施の形態１におけるパワーモジュールを２つ組み合わせたような構成である。又、本実施の形態５では、絶縁部材８が設けられておらず、モールド樹脂６によって平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間の電気的絶縁性が保たれている点が異なっているが、その他の基本的な構成は実施の形態１と同等である。
本願発明の放熱板３ａにより、２つのパワーモジュールを図１４のように、組み合わせて積層できる。詳しく説明すると、本実施の形態５のパワーモジュールでは、実施の形態１で説明した、パワー半導体素子１、駆動素子２、放熱板３ａ、及びリードフレーム４ａ、４ｂを組としたものが、２組積層して設けられ、これら２組がモールド樹脂６によって一体的に保持されている。これら２組は、図１４では、逆方向（逆さ）に積層している。つまり、２組は、互いに平面部３ａ３を向かい合わせ、対向させるように積層されている。順方向に積層した場合と比較して、平面部３ａ１がモールド樹脂６から外部へ露出しているので、熱を外部へより逃がすことができる。
本実施の形態５のパワーモジュールの製造方法は、他の実施の形態と同様、平面部３ａ３と斜面部３ａ２と平面部３ａ１を形成する１枚の金属板を折り曲げ、放熱板３ａを作製する。その後、放熱板３ａと、パワー半導体素子１および駆動素子２を実装したリードフレーム４ａ、４ｂとを、モールド樹脂６でモールド成形し硬化し製造する。金属板としては、銅やアルミニウムが用いられる。
なお、駆動素子２は、２つでなく１つで共通にすると小型化がさらにできる。
また、本実施の形態５においても、実施の形態１と同様に、平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間に絶縁部材８が設けられた構成が用いられても良い。
また、実施の形態２、３、４のパワーモジュールをこのように積層してもよい。
図１５は、実施の形態２で説明した、パワー半導体素子１、駆動素子２、放熱板３ｂ、及びリードフレーム４ａ、４ｂを組としたものが、２組積層して設けられ、それら２組がモールド樹脂６によって一体的に保持されているパワーモジュールの断面模式図である。図１５に示すように、それぞれの組みは、放熱板３ｂのカーブの付いた面部３ｂ２が互いに対向するように積層して配置されている。
図１６は、実施の形態３で説明した、パワー半導体素子１、駆動素子２、放熱板３ｃ、及びリードフレーム４ａ、４ｂを組みとしたものが、２組積層して設けられ、それら２組がモールド樹脂６によって一体的に保持されているパワーモジュールの断面模式図である。図１６に示すように、それぞれの組みは、放熱板３ｃの斜面部３ｃ２が互いに対向するように積層して配置されている。
また、本実施の形態５に用いられている放熱板３ａの代わりに、図３に示す平面部３ａ３が少し湾曲している放熱板３ａが用いられても良い。
（実施の形態６）
図１７は、本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの断面模式図である。本実施の形態６のパワーモジュールは、実施の形態１におけるパワーモジュール２つを組み合わせたような構成である。又、本実施の形態６では、絶縁部材８が設けられておらず、モールド樹脂６によって平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間の電気的絶縁性が保たれている点が異なっているが、その他の構成は実施の形態１と同等である。
詳しく説明すると、本実施の形態６のパワーモジュールでは、実施の形態５と同様に、実施の形態１で説明した、パワー半導体素子１、駆動素子２、放熱板３ａ、及びリードフレーム４ａ、４ｂを組としたものが、２組設けられ、それら２組がモールド樹脂６によって一体的に保持されているが、実施の形態５（図１４の場合）より、さらに２つの組を近づけ、平面部３ａ３が、上下の組で共通化されている。つまり、それぞれの組みは、平面部３ａ３を共通部分として、対向させて積層されている。
このため、全体として、薄型化ができ、かつ、放熱板３ａが１つの連続体にできるので、熱の分布が全体で均質化できる。
なお、駆動素子２は、２つでなく１つで共通にすると小型化がさらにできる。
また、実施の形態２、３、４のパワーモジュールをこのように積層してもよい。
製造方法は、まず、平面部３ａ３と斜面部３ａ２と平面部３ａ１を形成する金属板に、平面部３ａ３と斜面部３ａ２を形成する金属板を溶接し、その後、各部間で折り曲げることで放熱板３ａを作製する。その後、他の実施の形態と同様、折り曲げた放熱板３ａと、パワー半導体素子１および駆動素子２を実装したリードフレーム４ａ、４ｂとを、モールド樹脂６でモールド成形し硬化し、製造する。
また、実施の形態２、３、４のパワーモジュールをこのように積層してもよい。
例えば、図１６の構成のパワーモジュールにおいて、斜面部３ｃ２の先端３ｃ３同士が連結又は接触するような構成であっても良い。連結された２枚の放熱板３ｃは、１枚の金属板を折り曲げることによって形成されても良いし、溶接によって形成されても良い。
尚、実施の形態４、５、６においても、実施の形態１と同様に、平面部３ａ１とリードフレーム４ａの間に絶縁部材８が設けられた構成が用いられても良い。
本発明は、パワー半導体素子の良好な放熱性を確保しつつ、平滑コンデンサなどの駆動素子にパワー半導体素子の熱が伝わりにくい、信頼性の高いパワーモジュールを実現することができるので、小型化が要求されるエアコンや掃除機などの家電製品に搭載されるインバータ等への適用に有用である。
１ パワー半導体素子
２ 駆動素子
３ａ、３ｂ、３ｃ、３０ 放熱板
４ａ、４ｂ リードフレーム
５ 従来の放熱板
６ モールド樹脂
６ａ、６ｂ 領域
７ ワイヤボンディング接合部
８ 絶縁部材
２１ 平滑コンデンサ
２２ スリット
Ａ 折り曲げ部位

Claims (12)

  1. リードフレームと、
    前記リードフレームに実装されたパワー半導体素子と、
    前記リードフレームに実装された駆動素子と、
    前記パワー半導体素子で発生する熱を放散する放熱板と、
    前記パワー半導体素子、前記駆動素子および前記放熱板を保持する樹脂とを備えたパワーモジュールにおいて、
    前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている部分と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間に配置されている部分と、前記パワー半導体素子の上方位置に配置されている部分とを一体的に有することを特徴とする、パワーモジュール。
  2. 前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間に配置され
    ている第２平坦部と、前記パワー半導体素子の上方位置に配置されている第３平坦部とを有する、請求項１記載のパワーモジュール。
  3. 前記第１平坦部と前記第２平坦部とのなす角度が、４５度より大きく６０度より小さい、請求項２記載のパワーモジュール。
  4. 前記第３平坦部が網目形状である、請求項２記載のパワーモジュール。
  5. 前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
    それぞれの前記組は、前記第３平坦部を対向させて積層されている、請求項２記載のパワーモジュール。
  6. 対向している２つの前記第３平坦部は、共通化されている、請求項５記載のパワーモジュール。
  7. 前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間を通り、前
    記パワー半導体素子の上方へ向かう、断面円弧形状部とを有する、請求項１記載のパワーモジュール。
  8. 前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
    それぞれの前記組は、前記断面円弧形状部を対向させて積層されている、請求項７記載のパワーモジュール。
  9. 前記放熱板は、前記リードフレームの、前記パワー半導体素子が実装された面の反対側に配置されている第1平坦部と、前記パワー半導体素子と前記駆動素子との間を通り、前
    記パワー半導体素子の上方へ向かう第４平坦部とを有する、請求項１記載のパワーモジュール。
  10. 前記第１平坦部と前記第４平坦部とのなす角度が、４５度より大きく、６０度より小さい、請求項９記載のパワーモジュール。
  11. 前記リードフレーム、前記パワー半導体素子、前記駆動素子、及び前記放熱板の組が２組設けられ、前記２組が前記樹脂によって保持されており、
    それぞれの前記組は、前記第４平坦部を対向させて積層されている、請求項９記載のパワーモジュール。
  12. 前記放熱板の、前記パワー半導体素子の上方の端部は、前記リードフレームと接触していない、請求項１から１１のいずれかに記載のパワーモジュール。
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